[네트워크] CSAPP 11장 네트워크 프로그래밍

11.1 클라이언트-서버 프로그래밍 모델

CSAPP 11장은 네트워크 프로그래밍을 설명할 때 클라이언트-서버 모델을 중심에 둔다.

실제로는 P2P 같은 다른 구조도 있지만, 웹 서버 구현을 이해하려면 이 모델부터 잡는 편이 가장 직관적이다.

이 모델에서 애플리케이션은 하나의 서버 프로세스​​와 하나 이상의 클라이언트 프로세스​​로 구성된다.

• 서버 (Server)​​: 특정 리소스를 관리하고, 클라이언트를 위해 그 리소스를 조작해서 서비스를 제공하는 역할

• 클라이언트 (Client)​​: 서버에게 서비스를 요청하는 역할.

🤔 클라이언트랑 서버는 컴퓨터(호스트)가 아니라 프로세스다?!

보통 우리는 “클라이언트 = 내 노트북, 서버 = 원격 서버(ex: AWS EC2)”처럼 물리적인 머신(호스트)으로 생각한다. 하지만 네트워크 프로그래밍 관점에서는 클라이언트/서버를 “역할”​​로 정의한다.

• 클라이언트: 요청을 보내는 프로세스

• 서버: 요청을 받아 응답하는 프로세스

하나의 호스트(머신) 안에서도 클라이언트 프로세스와 서버 프로세스가 동시에 존재할 수도 있다.

따라서 이 클라이언트/서버 모델의 핵심 주체는 하드웨어가 아닌 소프트웨어​​라는 것을 명심해야 한다!

트랜잭션(transaction)

이 모델의 기본 연산은 트랜잭션​​이며, 4단계로 이루어진다.

1. 클라이언트가 요청을 보냄​

   • 클라이언트가 서비스가 필요할 때 서버에 요청을 보내 트랜잭션을 시작

   • ex) 웹 브라우저가 파일을 필요로 할 때 웹 서버에 요청을 보냄

2. ​서버가 요청을 처리​

   • 서버는 요청을 받아서 해석하고, 리소스를 적절하게 조작

   • ex) 웹 서버가 브라우저로부터 요청을 받으면, 디스크 파일을 읽음

3. ​서버가 응답을 보냄​

   • 서버는 클라이언트에게 응답을 보내고, 다음 요청을 기다림

   • ex) 웹 서버는 읽은 파일을 클라이언트에게 다시 보냄

4. ​클라이언트가 응답을 처리​

   • 클라이언트는 응답을 받고 이를 처리

   • ex) 웹 브라우저가 서버로부터 페이지를 받으면 화면에 표시

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11.2 네트워크

클라이언트와 서버는 종종 별개의 호스트에서 실행되며, 컴퓨터 네트워크의 하드웨어와 소프트웨어 자원을 사용해 통신한다. 프로그래머 관점에서 네트워크를 이해해보자.

호스트 입장에서 네트워크는 데이터를 위한 ​I/O 장치​일 뿐이다.

데이터는 I/O 버스의 확장 슬롯에 꽂힌 ​Network adapter​를 통해 네트워크와 물리적으로 연결된다.

네트워크에서 받은 데이터는 어댑터에서 I/O 버스와 메모리 버스를 거쳐 메모리로 복사되고, 반대로 메모리에서 네트워크로 데이터가 복사될 수도 있다.

💡 ​네트워크 인터페이스(Network Interface)​

네트워크 인터페이스란?

• 네트워크 상에서 노드와 통신 매체가 연결되는 지점

• 노드와 네트워크 사이의 통로

• 네트워크 인터페이스마다 ​MAC 주소(물리적 주소)​가 부여

이때 ​NIC(Network Interface Controller)​라는 하드웨어가 이 역할을 담당한다.

즉, 위 그림에 나오는 Network adapter는 사실상 NIC를 지칭하는 말이다.

네트워크의 물리적 구조: LAN과 WAN

네트워크는 규모에 따라 크게 ​LAN과 WAN​으로 나뉨

• ​LAN(Local Area Network, 근거리 네트워크)​

  비교적 가까운 거리(가정, 기업, 캠퍼스)를 연결하는 한정된 공간에서의 네트워크

  어떤 공유기를 통해 여러 기기가 인터넷에 연결되어 있다면:

  • 해당 공유기를 기준으로 하나의 LAN이 구축되었다고 할 수 있음

  • 해당 공유기와 연결된 네트워크 기기들은 모두 같은 네트워크(LAN)에 속해있다고 인식하여 자유롭게 통신 가능

  • 오늘날 거의 모든 LAN은 ​이더넷​이라는 기술을 표준으로 사용

• 이더넷(Ethernet)

  각 호스트(컴퓨터)의 네트워크 인터페이스에 고유한(전 세계에서 유일) ​48 비트 MAC 주소​를 부여하고, 이 주소를 이용해 데이터를 ​프레임(Frame)​이라는 작은 덩어리로 나누어 통신하는 방식

  CSAPP 책에서는 구식 허브/브릿지 모델의 이더넷을 소개하지만, 현대의 이더넷 기반 LAN은 ​스위치(Switch)​라는 장비를 중심으로 구성됨

  • 과거의 허브는 들어온 신호를 모든 포트로 무작정 복사해서 보냄(브로드캐스트 통신)

  • 스위치는 프레임에 적힌 목적지 MAC 주소의 포트로만 데이터를 정확하게 전달(유니캐스트 통신)

    ⇒ 이 덕분에 불필요한 트래픽이 발생하지 않고 네트워크 충돌을 막아 통신 효율 극대화

    
    

    💡 스위치의 ​MAC 주소 학습​과 ​MAC 주소 테이블​ 기능

    

    • 스위치는 프레임 속 MAC 주소를 토대로 현재 어떤 포트에 어떤 MAC 주소를 가진 호스트가 연결되어 있는지 파악하고 (MAC 주소 학습)

    • ‘포트, 연결된 호스트의 MAC 주소’의 대응 관계를 테이블의 형태로 메모리에 저장함 (MAC 주소 테이블)

    ⇒ MAC 주소 테이블을 생성하고 참조할 수 있기 때문에 스위치가 전달받은 신호를 목적지 호스트가 연결된 포트로만 내보낼 수 있게됨

• ​WAN(Wide Area Network, 원거리 네트워크)​

  LAN과 LAN을 연결하는 더 넓은 범위의 네트워크

  • 모든 네트워크 기기들이 같은 네트워크(LAN)에서만 정보를 주고받지 않음 ⇒ LAN 간의 통신도 빈번하며, 이 때 WAN을 통해 LAN 간 통신이 이루어짐

  • WAN은 멀리 떨어진 LAN들을 이어주는 광역망이다. 보통 ISP가 이런 구간을 구축하고 운영한다.

인터넷(internet)

인터넷은 전 세계의 수많은 네트워크를 **라우터(Router)**와 IP 프로토콜로 서로 연결한 거대한 네트워크 집합체다.

아래 그림처럼 각기 다른 LAN들이 라우터를 통해 WAN으로 연결되고, 또 다른 라우터를 거쳐 다른 LAN과 통신하는 구조

💡 ​internet vs Internet​

소문자 internet은 일반적인 '상호 연결된 네트워크'라는 개념을 의미하고,

대문자 Internet은 우리가 아는 '글로벌 IP 인터넷'이라는 특정 구현을 지칭

인터넷은 어떻게 서로 다른 네트워크를 연결할까?

서로 다른 종류의 LAN 기술(이더넷, Wi-Fi 등)을 사용하더라도 문제없이 통신할 수 있는 이유는,

모든 호스트와 라우터가 ​인터넷 프로토콜(Internet Protocol, IP)​이라는 공통의 약속을 따르기 때문.

IP의 핵심 아이디어는 ​패킷(Packet)​이라는 데이터 덩어리에 있다.

각 패킷에는 출발지 호스트와 목적지 호스트의 ​IP 주소​가 포함된 헤더가 붙어있으며,

이 IP 주소 덕분에 라우터는 패킷의 최종 목적지를 알 수 있고, 올바른 경로로 패킷을 전달할 수 있다.

아래 그림은 Host A가 다른 네트워크(LAN2)에 있는 Host B에게 데이터를 보내는 과정을 보여준다.

1. ​캡슐화 (Encapsulation)​:

   • Host A는 보내려는 데이터(Data)에 최종 목적지(Host B)의 ​IP 주소가 담긴 패킷 헤더(PH)​를 붙여 인터넷 패킷을 만듬

   • 그리고 이 패킷을 LAN1을 통해 라우터로 보내기 위해, ​라우터의 주소(MAC 주소)가 담긴 프레임 헤더(FH1)​를 다시 한번 덧붙여 LAN1 프레임을 만듬

2. ​라우터의 역할​:

   • 라우터는 LAN1 프레임을 받아 겉포장인 FH1을 제거

   • 속포장인 패킷 헤더(PH)를 보고 최종 목적지가 Host B임을 확인

   • 이제 이 패킷을 LAN2로 보내야 하므로, ​Host B의 주소(MAC 주소)가 담긴 새로운 프레임 헤더(FH2)​로 재포장하여 LAN2로 전달

3. ​최종 전달​: Host B는 전달받은 LAN2 프레임의 FH2와 PH를 차례로 제거하고, 마침내 원본 데이터를 얻게 됨

정리하면, 인터넷은 각 네트워크 구간에 맞는 프레임 헤더는 바꿔가면서도, 패킷 헤더에 담긴 최종 목적지 IP 주소를 기준으로 데이터를 전달한다.

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11.3 글로벌 IP 인터넷

앞서 말했듯이 LAN을 넘어 다른 네트워크와 통신을 주고받으려면, 네트워크 계층 이상의 기술이 필요하고,

이 때 특히 중요하게 사용되는 핵심 프로토콜이 ​IP(Internet Protocol)​이다.

IP의 목적과 특징은 다음과 같다.

• IP의 목적: 주소 지정, 단편화

• IP의 특징: 비신뢰성 통신, 비연결형 통신

주소 지정

주소 지정은 비부호형 32비트 정수(IP 주소)에 의해 이루어짐

⇒ IP 패킷 헤더 내 ​송신지 IP 주소​, ​수신지 IP 주소​ 필드가 존재

이 때 패킷을 올바르게 전송하기 위해서는 MAC 주소와 IP 주소가 모두 필요하지만, IP 주소가 우선적으로 활용됨

• 라우터: IP 주소를 바탕으로 목적지까지 IP 패킷을 전달하는 네트워크 장비

• 라우팅: IP 패킷을 전달할 최적의 경로를 결정하고 해당 경로로 패킷을 내보내는 과정

단편화

• ​MTU(Maximum Transmission Unit)​ : 최대 전송 단위

  • 전송하고자 하는 IP 패킷(IP 헤더 및 페이로드)의 크기가 MTU라는 단위보다 클 경우, 패킷을 MTU 이하의 여러 패킷으로 쪼개서 전송하고, 쪼개서 전송된 패킷들은 수신지에서 재조합됨

  • 이 때 일반적인 MTU 크기는 1500바이트이며, 이는 프레임을 통해 주고받을 수 있는 최대 페이로드 크기 ⇒ IP 패킷의 헤더 및 페이로드는 프레임의 페이로드가 되기 때문

비신뢰성 통신

패킷이 수신지까지 제대로 전송되었다고 보장하지 않는 프로토콜

• 패킷이 유실되거나 목적지에 순서대로 전송되지 않더라도 이에 대해 조치를 취하지 않음

비연결형 통신

패킷을 주고받기 전에 사전 연결 과정을 거치지 않는 프로토콜

• 상대 호스트의 수신 가능 여부는 고려하지 않고, 수신지를 향해 그저 패킷을 전송

IP주소의 구조

하나의 IP 주소는 10진수 4개(32bit)로 표기되며 크게 네트워크 주소와 호스트 주소로 이뤄짐

• ​네트워크 주소​(네트워크 ID, 네트워크 식별자) : ​호스트가 속한 네트워크를 특정​하기 위해 사용

• ​호스트 주소​(호스트 ID, 호스트 식별자) : ​네트워크에 속한 호스트를 특정​하기 위해 사용

⚠️ 이 때 하나의 IP 주소에서 네트워크 주소를 표현하는 크기와 호스트를 표현하는 크기가 ​유동적일 수 있음